环境温度对混凝土受侵蚀离子破坏的影响研究*

周南南

(上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032)

0 引言

城市热岛效应导致中心城区气温明显升高，对城市地质环境产生了严重影响[1-2]，如改变了地质环境的自然温度场，增加了土体环境温度影响带的深度，破坏了大气环境、水环境、生态环境与地质环境间物质和能量的自然循环，引起土体中湿度发生改变。对于濒海城市，由于海水的渗透作用，加之城市在运行过程中各种废弃物的入渗，城市局部浅层土中含较多的侵蚀离子，如硫酸根离子、氯离子、钠离子、镁离子等。随着环境温度的升高，侵蚀离子的化学活性增加，根据Arrhenius方程[3]，温度每升高10℃，一般化学反应的速率增大2～10倍，增强了其对建筑物基础和地下管道的腐蚀。另外，由于城市热岛效应使城区湿度降低，蒸发量增加，而城市区域中许多地面被柏油路面或水泥路面等覆盖，导致土中入渗径流减少，使土中含水量降低，形成各种干岛效应，干岛效应易导致结晶侵蚀，破坏程度更严重。

调研发现，近年来，有不少关于早期建造的房屋基础、地下排水管道、高架桥桥柱根部等位置因硫酸根离子、氯离子等侵蚀导致混凝土膨胀、开裂、剥落的案例，且相关案例逐渐增多，影响了城市建筑、给排水、交通等生命线工程的安全，造成较大隐患。分析表明，这些侵蚀除与侵蚀离子浓度有关外，其变化趋势与环境温度也有一定关系，但相关研究较少。卢毅等[4]对城市热岛效应下浅层土中混凝土受硫酸腐蚀进行了试验研究，但试验全部采用室内快速模拟方法，与室外实际情况差别较大。部分学者研究侵蚀离子对混凝土破坏机制时考虑了环境因素，如Santhanam等[5]证实了升温会加速硫酸盐的侵蚀；Rodriguez-Navarro等[6]通过系列试验研究了蒸发率、相对湿度等对硫酸钠溶液结晶的影响；Genkinger等[7]通过试验研究了蒸发率对溶液超饱和度的影响，并分析了超饱和度对各硫酸钠晶体相形成、成核、生长的影响；杨全兵等[8]研究了硫酸钠结晶对干湿循环作用下混凝土剥落破坏、膨胀率和强度的影响，并研究了降温作用下硫酸钠溶液体积膨胀率和结晶压力变化规律；Cooke[9]指出在自然干燥的情况下，盐结晶在毛细管边缘的范围内集中，导致高的超饱和度迅速形成，盐结晶侵蚀被增强。上述研究涉及了环境因素的影响，但试验多在实验室内通过不同浓度溶液浸泡的方式完成，与实际环境相差较大，相应的侵蚀机制有所不同。

基于以上分析，本文研究实际环境温度对混凝土受侵蚀离子破坏的影响，以上海地区为例，考虑2个室内恒温恒湿标准环境和1个中心城区环境，以期为评估早期的房屋基础、地下排水管道、高架桥桥柱根部等的耐久性提供依据。

1 试验设计

1.1 原材料

凝胶材料采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、S95矿粉、Ⅱ级粉煤灰，细骨料采用中砂，粗骨料采用粒径5～25mm碎石，拌合水采用自来水，掺加萘系减水剂。

1.2 配合比设计

设计混凝土配合比为水∶水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶碎石∶减水剂=180∶207∶36∶43∶876∶1 028∶2.41(kg/m3)，混凝土强度等级为C20，坍落度为165mm，28d抗压强度为27.7MPa。本试验采用100mm×100mm×300mm(长×宽×高)长方体试件，混凝土浇筑24h后脱模，然后移至养护室养护28d，养护室温度为(20±2)℃，相对湿度为95%。

1.3 环境模拟

本试验共设计3种环境，分别为：①恒温恒湿实验室水中环境，温度为20℃，相对湿度为60%，标记为A环境；②恒温恒湿实验室侵蚀溶液中环境，温度为20℃，相对湿度为60%，标记为B环境；③室外侵蚀溶液中环境，位于上海中心城区，标记为C环境，最高月平均温度为37℃，最低月平均温度为3℃。

1.4 侵蚀方式

通过侵蚀溶液半浸泡方式模拟地表侵蚀离子侵蚀情况，如图1所示。A环境溶液为自来水，用于对比；B环境和C环境溶液均为质量分数为10%的硫酸钠溶液。浸泡试验在塑料容器中进行，浸泡过程中为保持侵蚀溶液浓度不变，利用塑料薄膜对侵蚀溶液进行密封，防止挥发，并定期更换溶液。

图1 侵蚀溶液半浸泡试件

1.5 测试内容

侵蚀试验共持续720d，分别在侵蚀0，360，540，720d时取出试件进行宏、微观测试。360，540，720d对应时间分别代表夏季、冬季、夏季。宏观测试主要包括表观现象和抗压强度，微观测试主要利用电镜扫描仪和能谱仪进行侵蚀产物分析，其中，电镜扫描仪主要用于观测侵蚀产物的形貌，能谱仪主要用于分析侵蚀产物的化学成分。

2 试验结果与分析

2.1 表观现象

各环境下试件受侵蚀的表观现象如图2所示。A环境溶液为自来水，试件表观几乎无变化。由于毛细管吸附产生了“灯芯”作用，在B环境和C环境下，混凝土试件在侵蚀溶液表面以上部分虽出现了结晶侵蚀，但B环境下结晶范围相对较小，主要集中在侵蚀溶液表面附近，且结晶体呈须状，较松散；而C环境下结晶布满侵蚀溶液表面以上整个试件，包括试件顶面，且结晶体呈粒状，较密实，表明在环境温度影响下，试件中侵蚀溶液迁移的距离增加，结晶侵蚀范围不断扩大。随着侵蚀时间的增加，C环境下试件由于结晶侵蚀导致的表观劣化不断加重，360d时表面劣化较严重，540d时表面已出现较明显的开裂、剥落，720d时表面开裂、剥落进一步加重。

图2 各环境下试件受侵蚀的表观现象

2.2 抗压强度劣化规律

试件在不同侵蚀时间下的抗压强度随环境劣化规律如图3所示，其中，抗压强度耐蚀系数为受侵蚀试件的抗压强度与同龄期水中试件的抗压强度比值。侵蚀至360d时，B环境下试件抗压强度耐蚀系数为1.0～1.1，表明后期水化作用和膨胀性侵蚀产物对孔隙的填充作用有利于混凝土强度增长；C环境下试件抗压强度耐蚀系数<0.95，表明膨胀性侵蚀产物对混凝土孔隙结构的破坏已起控制作用，与恒温恒湿环境相比，环境温度使硫酸盐侵蚀速度明显加快。侵蚀至540d时，B环境下试件抗压强度耐蚀系数降至1.0以下，C环境下试件抗压强度耐蚀系数较360d时明显降低。侵蚀至720d时，试件在A，B，C环境下的抗压强度耐蚀系数分别为1.0，0.74，0.65，环境温度的影响进一步凸显。

图3 抗压强度劣化规律

2.3 微观解释

侵蚀至720d时，C环境下混凝土试件微观测试结果如图4所示。C环境下混凝土试件在侵蚀溶液表面以下部分处于湿状态，在侵蚀溶液表面以上部分处于干状态，由于毛细管吸附产生了“灯芯”作用，侵蚀溶液不断向上迁移。

图4 微观测试结果

在侵蚀溶液表面以下，当混凝土受硫酸盐侵蚀时，硫酸根离子通过混凝土孔隙系统传输至混凝土内部，与氢氧化钙发生反应生成石膏，石膏进一步与混凝土中的含铝相发生反应生成钙矾石，当钙矾石吸收了大量水分子，在含铝相表面呈针状析出后，形成膨胀内应力，进而造成固相体积膨胀，当膨胀内应力超过混凝土抗拉强度时，导致混凝土开裂、破坏[10]。由图4a，4b可知，C环境下混凝土内部随处可见钙矾石，且内部裂隙较多，难以发现氢氧化钙的存在。

在侵蚀溶液表面以上，由于蒸发作用，水分不断由混凝土内部向外散发，导致由表及里盐溶液不断浓缩，超饱和状态一旦达到，白色盐结晶体迅速生长，在结晶体生长过程中，结晶体和孔隙壁之间会形成超饱和薄膜层，且结晶体和孔隙壁之间存在能量差异，其允许结晶体继续沿孔隙壁生长，形成结晶压力，从而使混凝土劣化[11]。C环境下，结晶范围布满侵蚀溶液表面以上试件，包括试件顶面，表明在环境温度影响下，试件中侵蚀溶液迁移的距离增加，结晶侵蚀范围不断扩大。但总的来看，在靠近侵蚀溶液表面部分，由于毛细管吸附产生的“灯芯”作用更大，结晶侵蚀尤为严重。由图4c，4d可知，C环境下白色结晶体主要为无水硫酸钠晶体，这主要是因为环境温度使蒸发作用增强，导致混凝土微孔中侵蚀溶液形成较高的饱和度，高饱和度下，无水硫酸钠晶体更易生成。结晶体生长在混凝土孔隙壁上形成结晶压力，从而产生环向拉应力。已有研究表明，由无水硫酸钠晶体导致的环向拉应力几乎较含有结晶水的硫酸钠(Na2SO4·10H2O)晶体大1个数量级，破坏力更大[11]。因此，C环境下混凝土受结晶侵蚀劣化程度相对较严重。

3 结语

1)环境温度影响下混凝土受硫酸盐侵蚀时表观破坏较重。试件在侵蚀溶液表面以下部分属于溶液侵蚀，在侵蚀溶液表面以上部分属于结晶侵蚀，环境温度使蒸发作用增强，导致试件中侵蚀溶液迁移的距离增加，结晶侵蚀范围不断扩大。

2)环境温度影响下混凝土受硫酸盐侵蚀时强度退化明显，而我国早期的房屋基础、地下排水管道等混凝土强度等级普遍为C20左右，随着城市热岛效应的不断加重，存在的耐久性隐患不断增大，需根据实际情况及时开展检测评估工作。

3)混凝土微观结构变化规律与其宏观力学性能变化规律一致，从微观到宏观证实了环境温度对混凝土受侵蚀离子破坏的影响较明显。